تقييم خاصية التشقق لمزيج البيتومين المستحلب البارد

اطروحة دكتوراه

اسم الباحث : زهراء هاشم ماشاء الله

اسم المشرف : أ.د شاكر فالح شاكر ;أ.د بهاء حسين عباس

الكلمات المفتاحية : Cold Bitumen Emulsion Mixtures, Cracking, Fracture, Fiber, ternary blended cementations fillers,

الكلية : كلية الهندسة

الاختصاص : الهندسة المدنية هندسة البنى التحتية‏

سنة نشر البحث : 2025

تحميل الملف : اضغط هنا لتحميل البحث

الخلاصة

تمثل التشققات أحد العوامل الرئيسة المسببة لتدهور رصف الطرق الأسفلتي، مما يجعل تقييم خصائص مقاومة التشقق أمرًا جوهريًا لتحسين تصميم الرصف. يوفر مزيج مستحلب البيتومين البارد (CBEMs) بديلًا مستدامًا، إلا أنه يعاني من ارتفاع الفراغات الهوائية، وجود الرطوبة، بطء تطور الصلابة الميكانيكية، وضعف القوة المبكرة. وعلى الرغم من أن التحسينات باستخدام المواد الإسمنتية تعزز القوة المبكرة، إلا أنها غالبًا ما تؤدي إلى زيادة الهشاشة وتقليل مقاومة الكسر. لذلك، يمثل تطوير مزيج CBEM متوازن بين القوة المبكرة ومقاومة التشقق المحسنة تحديًا مهمًا، لا سيما في ظل محدودية الدراسات المتاحة في هذا المجال.تهدف هذه الدراسة إلى تصميم مزيج CBEM لطبقة الربط باستخدام حشو إسمنتي ثلاثي المكونات (TBF) يتألف من الميتاكولين (MK)، ورماد أوراق النخيل (PLA)، وأسمنت بورتلاند العادي (OPC) كبديل للحشو التقليدي من الحجر الجيري (LF)، كما جرى تدعيم المزيج بألياف دقيقة (ألياف زجاجية GF وألياف بولي بروبيلين PP) وألياف كبيرة (بولي إيثيلين تيرفثالات PET) ، وإضافة ملدن فائق (SP) لتقليل الفراغات الهوائية وتحسين خصائص العمل المبكرة من خلال خفض محتوى الماء. تضمنت منهجية الدراسة إجراء اختبارات مخبرية لتقييم الخصائص الحجمية واختبارات مقاومة الشد غير المباشر (ITS) لتحديد النسب المثلى، مع تتبع تطور القوة عند أعمار 3 و7 و14 و28 يومًا. كما جرى توصيف خصائص مقاومة التشقق باستخدام اختبارات ITS والانحناء نصف الدائري (SCB) والانحناء رباعي النقاط (4PB)، مدعومة بتحليل الصور الرقمية لتقييم أثر الشيخوخة والرطوبة على سلوك بدء ونمو التشققات وقياس فتح الشق عند طرف التشقق. تم تقييم مقاومة التشقق باستخدام مؤشرات عدة، مثل: طاقة الكسر (Gf)، مؤشر تحمل التشقق (CT-Index)، مؤشر المرونة لإلينوي (FI)، مؤشر مقاومة التشقق (CRI)، معامل المرونة المعياري (Nflex)، مؤشر المتانة (TI)، ومؤشر تحمل الانفعال الكسري (FST). كما وفرت اختبارات SCB، مدعومة بالتحليل الرقمي، بيانات تفصيلية حول Gf وطاقة الانبعاث الحرجة (Jc) ومنحنى المقاومة (R-curve) وخرائط الانفعال . وأظهرت نتائج اختبار 4PB زيادة واضحة في الحمل الأقصى وطاقة الكسر، إلى جانب الإزاحة والانحناء قبل الفشل، متسقة مع ما أظهرته اختبارات ITS وSCB. أظهرت النتائج أن مزيج TBFSP-FG+PET-CBEM ، الذي يحتوي على TBF كبديل للحشو التقليدي، ومقوى بألياف GF الدقيقة وألياف PET الكبيرة، ومحسن بالملدن الفائق، تفوق بشكل ملحوظ على مزيج C-CBEM المرجعي. بعد 3 أيام ، سجل المزيج قوة أعلى بمقدار 4.4 مرة مقارنة بالمزيج المرجعي، كما أظهر مقاومة أفضل للتشقق في المراحل المبكرة والمتأخرة، مع زيادة طاقة الكسر بمقدار 5.8 مرة بعد 3 أيام و9.2 مرة بعد 28 يومًا، وارتفاع بنسبة 7.4% مقارنة بمزيج HMA عند عمر 28 يومًا. بلغ مؤشر CT-Index في اختبار ITS قيمتي 78 و170 عند أعمار 3 و28 يومًا على التوالي، بما يمثل زيادة بمقدار 2.4 و21 مرة مقارنة بالمزيج المرجعي. كما أظهرت نتائج اختبار SCB ارتفاعًا ملحوظًا في Jc وظهور نمط مميز لمنحنى المقاومة، حيث سجلت طاقة كسر عند بدء التشقق أعلى بمقدار 21 مرة مقارنة بالمزيج المرجعي C-CBEM و3.14 مرة مقارنة بمزيج HMA. علاوة على ذلك، أظهر المزيج أداءً مرضيًا تجاه أثار الشيخوخة والرطوبة، وكشف تحليل الصور الرقمية عن زيادة واضحة في التشوهات البلاستيكية نتيجة تدعيمه بالألياف الدقيقة والكبيرة، مما عزز قدرته على امتصاص الطاقة خلال مراحل نمو التشققات. وتشير هذه النتائج إلى إمكانية اعتماد المزيج المقترح كخيار مستدام وفعّال بديلًا عن الخلطات التقليدية، مع تعزيز فهم خصائص مقاومة التشققات في CBEM، بما يسهم في زيادة عمر خدمة الرصف الأسفلتي.

 

Evaluating the Fracture Characteristic of Cold Bitumen Emulsion Mixtures

Abstract

Fracture is a primary cause of asphalt pavement distresses, making the evaluation of fracture properties crucial for improved pavement design. cold bitumen emulsion mixtures (CBEMs) offer a sustainable alternative but are suffered from high air voids, moisture presence, slow curing, and low early strength. While modifications using cementitious materials enhance early strength, they often lead to increased brittleness and poor fracture resistance. Thus, advancing CBEMs with balanced early strength and improved cracking resistance is essential, especially given the limited research in this area. This study developed a CBEM for binder course applications using a ternary-blended cementitious filler (TBF) composed of metakaolin (MK), palm leaf ash (PLA), and ordinary Portland cement (OPC) as a replacement for traditional limestone filler (LF), and reinforced with micro-fibers (glass fiber (GF), polypropylene (PP)) and macro-fibers (polyethylene terephthalate (PET)). A superplasticizer (SP) was added to reduce air voids and improve early strength by lowering water content. Laboratory testing, including volumetric and indirect tensile strength (ITS) tests, was conducted to determine optimal proportions, with strength evaluated at 3, 7, 14, and 28 days. Fracture properties were characterized using ITS, semi-circular bending (SCB), and four-point bending (4PB) tests, supported by image analysis under ageing and moisture conditions.
Fracture performance was assessed through ITS using indices such as fracture energy (Gf), cracking tolerance index (CT-Index), Illinois flexibility index (FI), crack resistance index (CRI), normalized flexibility factor (Nflex), toughness index (TI), and fracture strain tolerance (FST) index. SCB tests, supported by digital image analysis (which captured crack initiation, propagation length, and crack mouth opening displacement (CMOD)), provided Gf, critical energy release (Jc), resistance curve (R-curve), and strain maps for crack behavior evaluation. The 4PB test further provided Gf, maximum load-displacement, and deflection before failure. The results revealed that the TBFSP-FG+PET-CBEM mixture, incorporating TBF as a replacement for LF, reinforced with micro-GF and macro-PET fibers, and enhanced with SP, significantly outperformed the control C-CBEM mixture. After 3 days of curing, it achieved 4.4 times higher strength. It also showed superior cracking resistance at both early and later ages, with fracture energy increasing by 5.8 times at 3 days and 9.2 times at 28 days compared to C-CBEM, and 7.4% higher than HMA at 28 days. ITS cracking indices (CT-index) reached 78 and 170 after 3 and 28 days, respectively, 2.4 and 21 times higher than C-CBEM. SCB test results showed a substantial increase in Jc and a distinct R-curve pattern, with 21 times and 3.14 times more fracture energy at crack initiation than C-CBEM and HMA, respectively. The 4PB test confirmed higher maximum load, Gf, displacement, and deflection before failure. These findings align with ITS and SCB test results. The mixture also exhibited satisfactory resistance results to ageing and moisture. Digital image analysis revealed enhanced plastic deformation due to micro-GF and macro-PET fibers. This study offers valuable insights into advancing CBEM as sustainable alternatives to traditional HMA, while enhancing understanding of their fracture behavior for more durable and flexible pavements.